Полосно-пропускающий фильтр

 

Изобретение относится к технике СВЧ и позволяет уменьшить потери в полосе пропускания полосно-пропускающих фильтров. Фильтр содержит n секций, выполненных в виде металлических цилиндров, и (n-2) коаксиально встроенных в них открытых дисковых резонаторов. Цилиндры соосно соединены между собой, образуя внешний экран. Каждый резонатор закреплен в цилиндре с помощью диэлектрического кольца на каждом из концов внешнего экрана. Каждая оконечная секция закорочена на одном конце металлической торцевой стенкой, в центральных отверстиях которых коаксиально установлены коаксиальные разъемы, центральные проводники которых внутри экрана подключены к петлевым элементам связи, каждый из которых выполнен в виде проволочного незамкнутого спирального витка. На внешнюю поверхность экрана наворачиваются контргайки. После подключения разъемов в цепь с распространяющейся СВЧ волной, элементы связи обеспечивают ввод и вывод энергии в системе фильтр-линия передачи. Отдельные секции исключают внеполосную передачу энергии между входом и выходом и создают необходимую взаимную электромагнитную связь резонаторов. Техническим результатом является создание полосно-пропускающего фильтра, обладающего комплексом улучшенных параметров, в частности предельно низким уровнем прямых потерь. 8 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для построения полосно-пропускающих фильтров преимущественно в дециметровом диапазоне длин волн на основе открытых диэлектрических резонаторов.

Известны конструкции полосно-пропускающих фильтров (см. Диэлектрические резонаторы /Под ред. профессора М.Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989, 328 с., с. 246-253, рис. 10.9.), содержащие отрезок запредельного в рабочей полосе частот фильтра, отрезок цилиндрического волновода - экран, состоящий из полых цилиндрических секций по числу звеньев фильтра, выполненных с уступами по внешнему и внутреннему диаметрам на концах, которые частично входят одна в другую, и открытые дисковые диэлектрические резонаторы с низшим видом колебаний, число которых равно числу звеньев фильтра и каждый из которых установлен соосно в соответствующей полой цилиндрической секции и удерживается в ней с помощью диэлектрической втулки, а на каждом из концов экрана с помощью резьбовых соединений установлены оконечные полые цилиндрические металлические секции, каждая закорочена на одном конце металлической торцевой стенкой, перпендикулярной продольной оси экрана, на которых для связи с подводящими линиями установлены элементы связи, выполненные в виде плоских печатных проводников, размещенных на диэлектрических подложках, и подключенные к центральным проводникам коаксиальных разъемов, установленных на боковой цилиндрической поверхности оконечных полых цилиндрических металлических секций.

Однако такие полосно-пропускающие фильтры характеризуются большими потерями в полосе пропускания, так как выполнение элемента связи на основе печатных проводников, размещенных на диэлектрических подложках, вносит дополнительные потери в полосе пропускания за счет потерь в диэлектрической подложке.

Наиболее близкими к предлагаемому полосно-пропускающему фильтру являются фильтры (см. Диэлектрические резонаторы /Под ред. профессора М.Е. Ильченко. - М. : Радио и связь, 1989, 328 с., с. 246-253, рис. 10.10.), содержащие отрезок запредельного в рабочей полосе частот фильтра, отрезок цилиндрического волновода - экран, составленный из n полых цилиндрических секций, где n - число звеньев фильтра. Секции на концах выполнены с уступами по внешнему и внутреннему диаметрам, которые частично входят один в другой. Каждое звено содержит открытый дисковый диэлектрический резонатор с низшим видом колебаний, установленный соосно в соответствующей полой цилиндрической секции и удерживается в ней с помощью диэлектрической кольцевой втулки. На каждом из концов экрана с помощью резьбовых соединений установлены оконечные полые цилиндрические металлические секции, каждая из которых закорочена на одном конце металлической торцевой стенкой, расположенной перпендикулярно продольной оси экрана. В торцевых стенках в отверстиях, расположенных в центре, для связи с подводящими линиями установлены коаксиальные разъемы, центральные проводники которых подключены к петлевым элементам связи, каждый из которых выполнен в виде плоской незамкнутой петли связи.

Однако такие фильтры также обладают дополнительными потерями в полосе пропускания за счет ограничения на степень свободы при оптимизации конструкции элемента связи.

Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение потерь в полосе пропускания полосно-пропускающих фильтров.

Решение этой задачи достигается тем, что в известном полосно-пропускающем фильтре, содержащем n секций, где n - число резонансных звеньев, выполненных в виде полых металлических цилиндров, соединенных между собой резьбовым соединением на их концах и образующих цилиндрический экран, и (n-2) открытых дисковых резонаторов, каждый из которых установлен коаксиально с помощью диэлектрического кольца, выполненного из материала с низкой диэлектрической проницаемостью, например кварца, в полом металлическом цилиндре секции, оконечные секции экрана выполнены с металлическими торцевыми стенками с центральными отверстиями, в которых симметрично установлены коаксиальные разъемы, при этом центральный проводник коаксиальных разъемов подключен к одному концу петлевого элемента связи, каждый элемент связи выполнен в виде проволочного незамкнутого спирального витка, при этом другой конец петлевого элемента расположен в плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндрического экрана.

Кроме того, каждый петлевой элемент связи имеет начальный участок в виде участка витка конической спирали, который переходит в часть витка винтовой цилиндрической спирали.

Дополнительно каждый петлевой элемент связи заканчивается сегментом витка, лежащим в плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндрического экрана.

Каждый петлевой элемент связи имеет начальный прямоугольный участок, ориентированный под углом, меньшим 90^o, к продольной оси цилиндрического экрана, переходящий в дугу окружности, лежащую в плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндрического экрана.

Дополнительно каждый петлевой элемент связи может быть выполнен с наибольшим диаметром спирали d, выбранным из условия: d≥D, где D - диаметр соответствующего открытого дискового диэлектрического резонатора, расположенного в оконечной секции цилиндрического экрана.

Кроме того, диаметр проволоки петлевого элемента связи может быть выбран равным 0,5÷1,5 диаметра центрального проводника соответствующего коаксиального разъема.

Дополнительно фильтр может быть снабжен резьбовыми соединениями выполненными на концах центральных проводников коаксиальных разъемов и концах витков петлевых элементов связи.

Оконечные полые металлические цилиндрические секции могут быть снабжены фиксирующими петли связи диэлектрическими втулками, выполненными из материала с низкой диэлектрической проницаемостью и расположенными внутри крайних секций.

Дополнительно фильтр может быть снабжен контргайками, расположенными на внешней поверхности цилиндрического экрана и фиксирующими секции относительно друг друга.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен полосно-пропускающий фильтр, на фиг.2 показано выполнение элемента связи в виде спирального витка, на фиг.3 изображен элемент связи в виде спирального витка, у которого начальный прямолинейный участок, ориентированный под углом менее 90^o к продольной оси, переходит в дугу окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси экрана и соосной с ним, на фиг.4 представлена фотография семизвенного полосно-пропускающего фильтра для центральной частоты 2250 МГц с ~4,5% полосой пропускания, на фиг.5 и фиг.6 приведены примеры амплитудно-частотных характеристик семизвенного полосно-пропускающего фильтра с диэлектрическим резонатором с центральной частотой 2250 МГц и шириной полосы пропускания ~4,5%.

Полосно-пропускающий фильтр содержит n секций, выполненных в виде полых металлических цилиндров 1, соединенных между собой, и (n-2) коаксиально встроенных в них открытых дисковых диэлектрических резонаторов 2 с диаметром D. Полые металлические цилиндры 1 соосно соединены между собой с помощью резьбовых соединений 3, расположенных на обеих концах каждого цилиндра 1, образуя внешний цилиндрический экран 4, запредельный для области рабочих частот фильтра.

Каждый открытый дисковый диэлектрический резонатор 2 с низшим видом колебаний закреплен в полом металлическом цилиндре 1 с помощью диэлектрического кольца 5, выполненного из материала с низкой диэлектрической проницаемостью, например пенопласта, фторопласта или кварца. Каждая оконечная полая металлическая цилиндрическая секция 6 закорочена на одном конце металлической торцевой стенкой 7, перпендикулярной продольной оси внешнего цилиндрического экрана 4, в центральных отверстиях 8 которых для связи с подводящими линиями установлены коаксиальные разъемы 9, центральные проводники 10 которых внутри внешнего цилиндрического экрана 4 подключены к петлевым протяженным в осевом направлении элементам связи 11, каждый из которых выполнен в виде проволочного незамкнутого спирального витка с наибольшим диаметром d. Концы внешнего цилиндрического экрана 4 соединены с оконечными полыми секциями 6 резьбовым соединением 12. Петли связи фиксируются в оконечных полых металлических секциях 6 диэлектрическими втулками 13. Центральные проводники 10 могут быть соединены с концом соответствующего витка петлевого элемента связи 11 резьбовым соединением 14. На внешнюю поверхность цилиндрического экрана 5 наворачиваются контргайки 15.

Полосно-пропускающий фильтр работает следующим образом.

После подключения коаксиальных разъемов 9 в цепь с распространяющейся СВЧ волной, проволочные петлевые протяженные в осевом направлении элементы связи 11 обеспечивают эффективный ввод и вывод энергии в системе фильтр - линия передачи. Отдельные секции 1 фильтра, соединенные в единый металлический цилиндрический экран 4, запредельный в рабочей полосе частот фильтра, исключают внеполосную передачу энергии между входом и выходом и создают необходимую взаимную электромагнитную связь открытых дисковых диэлектрических резонаторов 2.

Кроме того, единый внешний цилиндрический экран 4 позволяет в необходимых для корректировки частотной характеристики фильтра (амплитудной и фазовой) регулировать коэффициенты связи между открытыми диэлектрическими резонаторами 2 и коэффициенты связи между крайними из открытых дисковых диэлектрических резонаторов 2 и проволочными петлевыми элементами связи 11, то есть через коаксиальные разъемы 9 - с подводящими линиями. Это достигается вращением по резьбе соединений 3 и 12 отдельных секций 1 полого цилиндрического экрана 4 и оконечных секций 6 относительно крайних из отдельных секций 1, что позволяет регулировать расстояние между открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами 2, а также крайними диэлектрическими резонаторами 6 и петлевыми элементами связи 11.

Число секций n определяет число резонансных звеньев, которые в свою очередь связаны с видом необходимой частотной характеристики. Например, трехзвенный фильтр обычно характеризует полосу порядка 1-1,5%, семизвенный фильтр обеспечивает полосу около 5%.

Экспериментально установлено, что выполнение петлевых элементов связи 11 в виде проволочных незамкнутых цилиндрических спиральных витков обеспечивает уменьшение потерь в полосе пропускания полосно-пропускающего фильтра с открытыми дисковыми диэлектрическими резонаторами 2 и получение больших значений коэффициентов связи между крайними из открытых дисковых диэлектрических резонаторов 2 и подводящими линиями при меньших вносимых в крайние открытые дисковые диэлектрические резонаторы 2 нерезонансных потерях, а также упрощается согласование подводящих линий и фильтра в его полосе пропускания.

Выполнение каждого петлевого элемента связи 11 заканчивающимся сегментом витка, лежащим в плоскости, параллельной торцевой части соответствующего открытого дискового диэлектрического резонатора 2, приводит к получению оптимальных характеристик фильтров.

Причем в ряде случаев оптимальным оказывается выполнение каждого петлевого элемента связи 11 заканчивающимся сегментом витка, лежащим в плоскости, параллельной торцевой части соответствующего дискового открытого диэлектрического резонатора 2 с начальным прямоугольным участком, ориентированным под углом менее 90^o к продольной оси цилиндрического экрана 4, и с конечным участком, выполненным в виде дуги окружности, лежащей в плоскости, ортогональной оси металлического цилиндрического экрана 4 и соосно с ним.

Кроме того, экспериментально установлено, что проволочные незамкнутые спиральные одновитковые петли 11, выполненные с наибольшим диаметром спирали d, выбранным из условия d≥D, где D - диаметр соответствующего открытого дискового диэлектрического резонатора 2, расположенного у оконечной секции 6, характеризуются меньшими уровнями вносимых потерь в открытые дисковые диэлектрические резонаторы 2, чем при наибольших диаметрах спирали элемента связи 11, меньших, чем диаметры соответствующих открытых дисковых диэлектрических резонаторов 2. Это уменьшает потери фильтров в полосе пропускания.

Также на величину потерь полосно-пропускающих фильтров, содержащих открытые дисковые диэлектрические резонаторы 2 в полосе пропускания существенно влияет диаметр проволоки, из которой выполнены проволочные незамкнутые спиральные одновитковые петли 11. Экспериментальные исследования показали, что для проволочных незамкнутых спиральных одновитковых петель 11 оптимальные диаметры проволоки петель, обеспечивающие лучшие комплексные характеристики по согласованию подводящих линий передачи, достижению наибольших возможных коэффициентов связи крайних открытых дисковых диэлектрических резонаторов 2 с подводящими линиями при наименьших вносимых потерях, лежат в пределах от 0,5 до 1,5 диаметра центрального проводника соответствующего коаксиального разъема 9.

Соединение каждой проволочной незамкнутой спиральной одновитковой петли 11 с соответствующим центральным проводником 10 коаксиального разъема 9 технологически рационально выполнять с помощью резьбовых соединений 13, которые обеспечиваются выполнением резьбового отверстия в конце центрального проводника 10 коаксиального разъема 9 и резьбы на конце проводника проволочной незамкнутой спиральной одновитковой петли 11.

Проволочные незамкнутые спиральные одновитковые петли 11 в оконечных секциях 6 могут быть закреплены с помощью диэлектрических втулок 14, выполненных из материала с низкой диэлектрической проницаемостью, например кварца, расположенных внутри секций 6.

Фиксация полых металлических цилиндрических секций 1 и оконечных полых металлических цилиндрических секций 6 друг относительно друга производится с помощью контргаек 15, наворачивающихся на внешнюю поверхность цилиндрического экрана 4, что устраняет деформации его поверхности, которая возникает при использовании, например, контрящих винтов, вворачиваемых в боковую поверхность металлических цилиндрических секций 1 и 6. Как показывает опыт создания таких фильтров, даже при ничтожных искривлениях поверхности экрана 4 происходит существенное искажение их частотных характеристик.

Из графиков амплитудно-частотных характеристик семизвенного полосно-пропускающего фильтра с диэлектрическим резонатором с центральной частотой 2250 МГц и шириной полосы пропускания ~4,5% видно, что потери в полосе пропускания не превышают 0,5 дБ. Ослабление в ближайшей паразитной полосе не менее 1,5 дБ. Это соответствует техническим требованиям для фильтров данного класса.

Применение таких конструкций, позволили создать в дециметровом диапазоне длин волн (~10...30 см) полосно-пропускающие фильтры (ППФ) с открытыми дисковыми диэлектрическим резонаторами (ДР), обладающие комплексом улучшенных параметров, в частности, предельно низким уровнем прямых потерь в полосе пропускания в сочетании с высокой технологичностью в настройке и малыми затратами на отработку заданных частотных характеристик по стандартной методике проектирования.

Формула изобретения

1. Полосно-пропускающий фильтр, содержащий n-секций, где n- число резонансных звеньев, выполненных в виде полых металлических цилиндров, соединенных между собой резьбовыми соединениями, расположенными на их концах и образующих внешний цилиндрический экран, и (n-2) открытых дисковых резонаторов, каждый из которых установлен коаксиально с помощью диэлектрического кольца, выполненного из материала с низкой диэлектрической проницаемостью, например кварца, в полом металлическом цилиндре секции, оконечные секции экрана выполнены с металлическими торцевыми стенками с центральными отверстиями, в которых симметрично установлены коаксиальные разъемы, при этом каждый центральный проводник коаксиального разъема подключен к одному из концов петлевого элемента связи, отличающийся тем, что каждый петлевой элемент связи выполнен в виде проволочного незамкнутого спирального витка, при этом другой конец петлевого элемента расположен в плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндрического экрана.

2. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1, отличающийся тем, что каждый элемент связи имеет начальный участок в виде участка витка конической спирали, который переходит в часть витка винтовой цилиндрической спирали.

3. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каждый петлевой элемент связи заканчивается сегментом витка, лежащим в плоскости, параллельной торцевой части соответствующего открытого диэлектрического резонатора.

4. Полосно-пропускающий фильтр по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каждый петлевой элемент связи имеет начальный прямоугольный участок, ориентированный под углом, меньшим 90^o к продольной оси цилиндрического экрана, переходящий в дугу окружности, расположенную в плоскости, перпендикулярной продольной оси внешнего цилиндрического экрана.

5. Полосно-пропускающий фильтр по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что каждый петлевой элемент связи выполнен с внешним диаметром спирали d, выбранным из условия d≥D, где D - диаметр соответствующего открытого дискового диэлектрического резонатора, расположенного в оконечной секции цилиндрического экрана.

6. Полосно-пропускающий фильтр по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что диаметр проволоки петлевого элемента связи выбран в пределах от 0,5 до 1,5 диаметра центрального проводника соответствующего коаксиального разъема.

7. Полосно-пропускающий фильтр по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что дополнительно снабжен резьбовыми соединениями, выполненными на концах центральных проводников коаксиальных разъемов и концах витков петлевых элементов связи.

8. Полосно-пропускающий фильтр по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что оконечные полые металлические цилиндрические секции снабжены фиксирующими петли связи диэлектрическими втулками, выполненными из материала с низкой диэлектрической проницаемостью и расположенными внутри крайних секций.

9. Полосно-пропускающий фильтр по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что дополнительно снабжен контргайками, расположенными на внешней поверхности внешнего цилиндрического экрана и фиксирующими секции относительно друг друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8